一種可調諧的負彈性模量聲學超材料的製作方法
2023-05-15 17:15:21
專利名稱：一種可調諧的負彈性模量聲學超材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種負彈性模量的聲學超材料，特別涉及一種可調諧的負彈性模量聲學超材料。
背景技術：
左手材料是指ー類由電和磁諧振単元在空間周期性排列的人工煤質，其奇特的波動性質更是極大地吸引著人們的研究興趣，如亞波長成像、負折射、平板聚焦效應、反常都卜勒效應、隱身和完美透鏡效應等等。在電磁學領域，將周期排列開ロ諧振環(SRRs)和金屬杆的兩種結構組合在一起，可以得到同時具有負磁導率和介電常數的左手材料。由於電磁波和聲波的相似性，從理論和實驗上都證實聲學超材料能展現出負的彈性模量或負的質量密度。具有負的質量密度的聲學超材料一般是通過彈簧振子系統或薄膜實現的。另一方面，負彈性模量的超材料是由亥姆霍茲共振器或開ロ空心球製備得到。目前，雙負的聲學超材料是由耦合負彈性模量和負質量密度的結構來構建。然而，ー種具有單頻響應特點的負結構很難與另一種負的結構耦合，因此，製備ー種可調頻的負聲學超材料成為當前首要解決的問題。最近，我們課題組製備出一種ニ維負彈性模量聲學超材料，它是由開ロ空心球 (SHS)周期性排列於海綿基底中構成。現在進一步證實通過改變SHS的幾何尺寸能極大地影響共振頻率。本發明提出了一種可調諧的負彈性模量超材料，它是通過變化SHS內部的介質組分來輕鬆調節共振頻率。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於SHS的可調諧的負彈性模量聲學超材料。其結構單元為SHS，通過改變SHS的內部組分，即改變由水與空氣構成的複合介質組分，可調節聲波發生諧振的頻段，從而實現具有負彈性模量材料的可調諧性。由於本發明所提供的調諧方法簡單，可以方便地實現不同頻段的諧振，使得此類負弾性模量更易與負質量密度的超材料耦合，為進一歩製備雙負聲學超材料提供了重要的參考。
圖1聲學超材料的結構示意2SHS的內部介質示意3開ロ孔徑為2. 5mm SHS在不同複合介質成份下的透射率曲線圖4裝有直徑2mm的鋼球，開ロ孔徑為4mm SHS的透射率曲線圖5裝有1個2mm鋼球，開ロ孔徑為2. 5mm SHS在不同複合介質成份下的透射率曲線
具體實施方式
本發明的聲學超材料是由商業級的直徑為10mm，壁厚為0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球與圓柱形海綿組成，其中利用機械鑽孔技術在空心球ー側鑽直徑分別為2. 5mm和4mm 的孔洞，海綿直徑30mm，厚25mm。將製備的開ロ空心球排列在海綿基底中央，而SHS的內部分別存在4種介質情況1隻有空氣的介質；2空氣與添加的水的複合介質；3添加的鋼球和空氣的複合介質；4添加的鋼球和水與空氣的複合介質。本發明是通過改變水的含量來實現調控SHS的聲學透射行為，以此達到調諧的目的。另外，通過在SHS中添加鋼球後，改變水的體積百分數相同的基礎上，可使得SHS的調諧範圍加寬。下面結合實施例及附圖對本發明作進ー步詳細說明實施例一首先利用機械鑽孔技術在直徑為10mm，壁厚為0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一側鑽直徑為2. 5mm的孔洞；其次製備直徑30mm，厚25mm的海綿作為基底；最後將製備的開ロ空心球放置在海綿基底中央，這樣就製得了 SHS聲學超材料，正如圖1所示。另外，開 ロ空心球的內部介質見圖2(a)，水的含量為0νΟ1%。這種超材料的聲波透射曲線如圖3所示。實施例ニ首先利用機械鑽孔技術在直徑為10mm，壁厚為0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一側鑽直徑為2. 5mm的孔洞；其次製備直徑30mm，厚25mm的海綿作為基底；最後將製備的開ロ空心球放置在海綿基底中央，這樣就製得了 SHS聲學超材料，正如圖1所示。另外，開 ロ空心球的內部介質見圖2(b)，水的含量為62. 5Vol%。這種超材料的聲波透射曲線如圖 3所示。實施例三首先利用機械鑽孔技術在直徑為10mm，壁厚為0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一側鑽直徑為4mm的孔洞；其次製備直徑30mm，厚25mm的海綿作為基底；最後將製備的開 ロ空心球放置在海綿基底中央，這樣就製得了 SHS聲學超材料，正如圖1所示。另外，開ロ空心球的內部介質見圖2(a)，水的含量為0Vol%。這種超材料的聲波透射曲線如圖4所示。實施例四首先利用機械鑽孔技術在直徑為10mm，壁厚為0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一側鑽直徑為4mm的孔洞；其次製備直徑30mm，厚25mm的海綿作為基底；接著將直徑為 2mm的鋼球添加到開ロ空心球中；最後將製備的SHS放置在海綿基底中央，這樣就製得了開ロ空心球聲學超材料，正如圖1所示。另外，開ロ空心球的內部介質見圖2(c)，水的含量為Ovol%。這種超材料的聲波透射曲線如圖4所示。實施例五首先利用機械鑽孔技術在直徑為10mm，壁厚為0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一側鑽直徑為2. 5mm的孔洞；其次製備直徑30mm，厚25mm的海綿作為基底；接著將直徑為 2mm的鋼球添加到開ロ空心球中；最後將製備的SHS放置在海綿基底中央，這樣就製得了開ロ空心球聲學超材料，正如圖1所示。另外，開ロ空心球的內部介質見圖2(c)，水的含量為Ovol%。這種超材料的聲波透射曲線如圖5所示。實施例六首先利用機械鑽孔技術在直徑為10mm，壁厚為0. 5mm的聚苯乙烯塑料空心球一側鑽直徑為2. 5mm的孔洞；其次製備直徑30mm，厚25mm的海綿作為基底；接著將直徑為 2mm的鋼球添加到開ロ空心球中；最後將製備的SHS放置在海綿基底中央，這樣就製得了開ロ空心球聲學超材料，正如圖1所示。另外，開ロ空心球的內部介質見圖2(d)，水的含量為62. 5Vol%。這種超材料的聲波透射曲線如圖5所示。 以上所述，僅為本發明的優選實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，即大凡依本發明權利要求及發明說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利覆蓋的範圍內。
權利要求
1.ー種基於開ロ空心球的可調諧負彈性模量聲學超材料，其結構單元為聚丙烯塑料開 ロ空心球，基底為海綿，主要特徵是通過改變開ロ空心球和內部的介質組分實現大幅調節諧振頻率。
2.如權利要求1所述基於開ロ空心球的負彈性模量聲學超材料，其特徵是只在海綿基底中央放置1個直徑為10mm，壁厚為0. 5mm的開ロ空心球，開ロ孔洞直徑d = 1 2. 5mm, 並且開ロ空心球的開ロ方向正對著聲學超材料的入射面。
3.如權利要求2所述基於開ロ空心球的可調諧負彈性模量聲學超材料，其特徵是通過改變孔洞直徑2. 5mm的開ロ空心球中水的體積百分比0% 62. 5%，可調節諧振頻率範圍大約為 3300Hz 4700Hzο
4.如權利要求2所述基於開ロ空心球的可調諧負彈性模量聲學超材料，其特徵是通過在孔洞直徑4mm的開ロ空心球中添加2mm的鋼球，可使諧振頻率從5230Hz紅移至4900Hz。
5.如權利要求2所述基於開ロ空心球的可調諧負彈性模量聲學超材料，其特徵是通過改變孔洞直徑2. 5mm且內含ー個2mm鋼球的開ロ空心球中水的體積百分比0% 62. 5%， 可調節諧振頻率範圍大約為3300Hz 5000Hz。
6.如權利要求1所述基於開ロ空心球的可調諧負彈性模量聲學超材料，其製備方法包括以下步驟(1)利用機械鑽孔技術在直徑為10mm，壁厚為0.5mm的聚苯乙烯塑料空心球一側鑽直徑為2. 5 4mm的孔洞；(2)將直徑為2mm的鋼球添加到開ロ空心球中；(3)製備直徑30mm，厚25mm的海綿作為基底；(4)把製備的開ロ空心球放置在海綿基底中央，在開ロ空心球的內部填充0 62. 5vol%的水。
全文摘要
本發明涉及一種基於開口空心球的負彈性模量聲學超材料，特別涉及一種可調諧的負彈性模量聲學超材料。其結構單元為開口空心球(SHS)結構，通過改變SHS內部組分，即改變由水與空氣構成的複合介質組分可調節聲波發生諧振的頻段，從而實現具有負彈性模量材料的可調諧性。另外，通過在開口空心球中添加鋼球後，在改變水的體積百分數相同基礎上，發現SHS的可調諧範圍加寬。本發明所提供的調諧方法簡單，可以方便實現不同頻段的諧振。
文檔編號G10K11/162GK102568466SQ20101059060
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者丁昌林, 趙曉鵬, 郝麗梅 申請人:西北工業大學